Nombre de Pisot-Vijayaraghavan

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En mathématiques, un nombre de Pisot-Vijayaraghavan (parfois simplement appelé nombre de Pisot) est un entier algébrique réel strictement supérieur à 1, dont tous les éléments conjugués ont un module strictement inférieur à 1. Ces nombres se caractérisent par le fait que la suite de leurs puissances tend rapidement vers une suite d'entiers.

Historique[modifier | modifier le code]

Après la découverte par Axel Thue en 1912 de ce que certains nombres algébriques étaient caractérisés ainsi, l'étude de ces nombres fut approfondie par Godfrey Hardy en relation avec un problème d'approximation diophantienne. Ce travail fut complété par T. Vijayaraghavan, un mathématicien indien de la région de Madras qui vint à Oxford pour travailler avec Hardy au milieu des années 1920. La même condition apparaît aussi dans certains problèmes sur les séries de Fourier et fut étudiée en 1938 par Charles Pisot. Le nom de ces nombres, formé par ces deux derniers auteurs, est maintenant communément en usage. Pisot démontra en particulier un théorème de caractérisation de ces nombres parmi les nombres algébriques, mais la question de savoir si cette caractérisation reste valable pour tous les réels est encore un problème ouvert.

Définitions[modifier | modifier le code]

Entiers algébriques[modifier | modifier le code]

On appelle entier algébrique de degré n une racine α d'un polynôme unitaire irréductible P(x) de degré n et à coefficients entiers ; ce polynôme est appelé le polynôme minimal de α, et les autres racines de P(x) sont appelées les conjugués de α.

Nombres de Pisot[modifier | modifier le code]

Un entier algébrique réel α est un nombre de Pisot–Vijayaraghavan (ou plus simplement un nombre de Pisot) si α > 1, et si tous ses conjugués (réels ou complexes) sont de module strictement inférieur à 1.

Nombres de Salem[modifier | modifier le code]

Si, dans la définition des nombres de Pisot, on remplace la condition (où \alpha_2, \ldots, \alpha_d désignent les conjugués de α) :

\rho = \max\{|\alpha_2|, \ldots, |\alpha_d|\} < 1

par la condition

\max\{|\alpha_2|, \ldots, |\alpha_d|\} = 1,

on obtient la définition des nombres de Salem.

Exemples[modifier | modifier le code]

Tout entier supérieur ou égal à 2 est un nombre de Pisot (il n'a pas de conjugué).

Par exemple, l'entier quadratique \alpha\ = a + b.\sqrt d\,, où a, b et d sont tous trois des entiers (positifs) et d n'est pas un carré, admet un conjugué \alpha' = a -b.\sqrt d\,.

La condition pour que \alpha soit un nombre de Pisot est alors que -1< \alpha' < 1.

De même, le nombre d'or \varphi, dont le polynôme minimal est x2x − 1, est donc un entier quadratique ; c'est un nombre de Pisot car \varphi = \frac{1 + \sqrt5}2> 1 et son conjugué \varphi' vérifie |\varphi'| = \left|\frac{1 - \sqrt5}2\right|= \left|\frac{1}{\varphi}\right|<1.

Les solutions positives \beta_n des équations :

x^{n}-x^{n-1}-x^{n-2}-\dots-1 = 0,

sont des nombres de Pisot (\beta_2 est le nombre d'or). La suite des \beta_n converge vers 2.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Propriétés élémentaires[modifier | modifier le code]

  • Tout entier positif > 1 est un nombre de Pisot, et ce sont les seuls rationnels qui le soient.
  • Si α est un nombre de Pisot dont le polynôme minimal a pour terme constant k, α est supérieur à |k|. Il en résulte que tous les nombres de Pisot < 2 sont des unités algébriques, c'est-à-dire que leur inverse est encore un entier algébrique.
  • Si α est un nombre de Pisot, il en est de même pour toutes ses puissances αk, avec k entier.
  • Tout corps de nombres algébriques réel K de degré n contient un nombre de Pisot de degré n, et ce nombre est un générateur de K. L'ensemble des nombres de Pisot de degré n dans K est stable pour la multiplication, c'est-à-dire que le produit de deux de ces nombres en est un.
  • Pour tous M et n fixés, il n'y a qu'un nombre fini de nombres de Pisot de degré n qui sont inférieurs à M.

Propriétés diophantiennes[modifier | modifier le code]

L'intérêt principal des nombres de Pisot est que leurs puissances sont très mal réparties modulo 1. Dans la suite, ||x|| désigne la distance du nombre réel x à l'entier le plus proche.

Si α est un nombre de Pisot et si λ est un nombre algébrique appartenant au corps engendré par α, alors la suite  \|\lambda\alpha^n\| tend vers 0 en étant majorée par cK^n (avec K < 1) (cette propriété est une conséquence des identités de Newton). Pour λ = 1 et la suite  \|\alpha^n\| , on a :

\|\alpha^n\| =\min_{z\in\mathbf{Z}}\bigl\{|\alpha^n - z|\bigr\} \le (d-1) \rho^n

d est le degré de α et \rho = \max\{|\alpha_2|, \ldots, |\alpha_d|\} < 1.

On peut ainsi construire des nombres presque entiers : on a par exemple (3+\sqrt{10})^6=27\,379+8\,658\sqrt{10}\approx  54\,758-\frac{1}{54\,758}\approx54\,757.999\,981\,7\dots (ce qui revient à dire que \frac{27\,379}{8\,658}\approx 3.162\,277\,662\dots est une bonne approximation rationnelle de \sqrt{10}\approx 3.162\,277\,660\dots ).

Ce résultat admet des réciproques partielles, caractérisant les nombres de Pisot parmi les nombres réels et parmi les nombres algébriques :

  • Si α est un nombre réel > 1 et qu'il existe un nombre réel non nul λ tel que la suite  \|\lambda\alpha^n\| est une suite de carré sommable, c'est-à-dire que \sum_{n=1}^{\infty}\|\lambda\alpha^n\|^2 < \infty , alors α est un nombre de Pisot et λ est un nombre algébrique appartenant au corps engendré par α (résultat connu sous le nom de théorème de Pisot).
  • Si α est un nombre algébrique > 1 et qu'il existe un nombre réel non nul λ tel que la suite \|\lambda\alpha^n\| converge vers 0 (donc que  \lim_{n\to\infty}\|\lambda\alpha^n\|=0), alors α est un nombre de Pisot et λ est un nombre algébrique appartenant au corps engendré par α.

La conjecture de Pisot–Vijayaraghavan est l'affirmation selon laquelle cette seconde caractérisation reste valable parmi tous les nombre réels (non nécessairement algébriques). On sait seulement qu'il n'y a qu'un ensemble dénombrable de nombres réels ayant cette propriété, mais on ignore s'ils sont tous algébriques.

Propriétés de l'ensemble des nombres de Pisot[modifier | modifier le code]

Notant S l'ensemble des nombres de Pisot (qui est dénombrable, puisque sous-ensemble des nombres algébriques), Raphaël Salem a montré que S est fermé, c'est-à-dire qu'il contient tous ses points limites (sa démonstration utilise une version constructive de la caractérisation diophantienne précédente : étant donné un nombre de Pisot α, on peut trouver un réel λ tel que 0 < λα et que  \sum_{n=1}^{\infty}\|\lambda\alpha^n\|^2 \leq 9, ce qui permet de borner la norme 2 de la suite |λαn| par une constante indépendente de α, et finalement d'utiliser à nouveau la caractérisation de Pisot pour montrer qu'une limite de nombre de Pisot en est encore un).

S étant fermé, il possède un plus petit élément. Carl Siegel a montré que le plus petit nombre de Pisot est l'unique racine réelle du polynôme x^3 - x - 1(approximativement 1,324 718) ; ce nombre est connu sous le nom de nombre plastique (ou parfois nombre d'argent), et il est isolé dans S. Siegel construisit deux suites de nombres de Pisot convergeant vers le nombre d'or \varphi et demanda si \varphi était le plus petit point d'accumulation de S. Ce résultat fut démontré par Dufresnoy et Pisot, qui déterminèrent également tous les éléments de S inférieurs à \varphi (découvrant certains nombres de Pisot n'appartenant pas aux séquences de Siegel). Vijayaraghavan montra que S avait un nombre infini de points limites, et plus précisément que la séquence des ensembles dérivés  S, S', S'', \ldots ne se terminait pas. Plus précisément encore, David Boyd et Daniel Mauldin ont démontré que l'intersection S^{(\omega)} de ces ensembles est vide, et ont déterminé le type d'ordre (en) exact de S[1].

L'ensemble T des nombres de Salem est étroitement lié à S. On a démontré que S est inclus dans l'ensemble T’ des points limites de T ; on conjecture que l'union de S et T est fermée.

Table de nombres de Pisot inférieurs à 1,618[modifier | modifier le code]

La table ci-dessous donne les 38 nombres de Pisot inférieurs à 1,618, en ordre croissant. La plupart de ces nombres (mais pas le huitième, par exemple) font partie des deux familles découvertes par Siegel, et sont racines de polynômes de la forme  x^n(x^2-x-1) + 1\, ou  x^n(x^2-x-1) + (x^2-1) (c'est-à-dire que leur polynôme minimal divise ces polynômes).

Valeur Polynôme minimal Forme
1 1,3247179572447460260 x^3-x-1\, (nombre plastique)  x(x^2-x-1) + (x^2-1)
2 1,3802775690976141157 x^4-x^3-1\,  x^2(x^2-x-1) + (x^2-1)
3 1,4432687912703731076 x^5-x^4-x^3+x^2-1\,  x^3(x^2-x-1) + (x^2-1)
4 1,4655712318767680267 x^3-x^2-1\,
5 1,5015948035390873664 x^6-x^5-x^4+x^2-1\,  x^4(x^2-x-1) + (x^2-1)
6 1,5341577449142669154 x^5-x^3-x^2-x-1\,
7 1,5452156497327552432 x^7-x^6-x^5+x^2-1\,  x^5(x^2-x-1) + (x^2-1)
8 1,5617520677202972947 x^6-2x^5+x^4-x^2+x-1\,
9 1,5701473121960543629 x^5-x^4-x^2-1\,  x^3(x^2-x-1) + 1\,
10 1,5736789683935169887 x^8-x^7-x^6+x^2-1\,  x^6(x^2-x-1) + (x^2-1)
11 1,5900053739013639252 x^7-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
12 1,5911843056671025063 x^9-x^8-x^7+x^2-1\,  x^7(x^2-x-1) + (x^2-1)
13 1,6013473337876367242 x^7-x^6-x^4-x^2-1\,
14 1,6017558616969832557 x^{10}-x^9-x^8+x^2-1\,  x^8(x^2-x-1) + (x^2-1)
15 1,6079827279282011499 x^9-x^7-x^6-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
16 1,6081283851873869594 x^{11}-x^{10}-x^9+x^2-1\,  x^9(x^2-x-1) + (x^2-1)
17 1,6119303965641198198 x^9-x^8-x^6-x^4-x^2-1\,
18 1,6119834212464921559 x^{12}-x^{11}-x^{10}+x^2-1\,  x^{10}(x^2-x-1) + (x^2-1)
19 1,6143068232571485146 x^{11}-x^9-x^8-x^7-x^6-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
20 1,6143264149391271041 x^{13}-x^{12}-x^{11}+x^2-1\,
21 1,6157492027552106107 x^{11}-x^{10}-x^8-x^6-x^4-x^2-1\,
22 1,6157565175408433755 x^{14}-x^{13}-x^{12}+x^2-1\,
23 1,6166296843945727036 x^{13}-x^{11}-x^{10}-x^9-x^8-x^7-x^6-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
24 1,6166324353879050082 x^{15}-x^{14}-x^{13}+x^2-1\,
25 1,6171692963550925635 x^{13}-x^{12}-x^{10}-x^8-x^6-x^4-x^2-1\,
26 1,6171703361720168476 x^{16}-x^{15}-x^{14}+x^2-1\,
27 1,6175009054313240144 x^{15}-x^{13}-x^{12}-x^{11}-x^{10}-x^9-x^8-x^7-x^6-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
28 1,6175012998129095573 x^{17}-x^{16}-x^{15}+x^2-1\,
29 1,6177050699575566445 x^{15}-x^{14}-x^{12}-x^{10}-x^8-x^6-x^4-x^2-1\,
30 1,6177052198884550971 x^{18}-x^{17}-x^{16}+x^2-1\,
31 1,6178309287889738637 x^{17}-x^{15}-x^{14}-x^{13}-x^{12}-x^{11}-x^{10}-x^9-x^8-x^7-x^6-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
32 1,6178309858778122988 x^{19}-x^{18}-x^{17}+x^2-1\,
33 1,6179085817671650120 x^{17}-x^{16}-x^{14}-x^{12}-x^{10}-x^8-x^6-x^4-x^2-1\,
34 1,6179086035278053858 x^{20}-x^{19}-x^{18}+x^2-1\,
35 1,6179565199535642392 x^{19}-x^{17}-x^{16}-x^{15}-x^{14}-x^{13}-x^{12}-x^{11}-x^{10}-x^9-x^8-x^7-x^6-x^5-x^4-x^3-x^2-x-1\,
36 1,6179565282539765702 x^{21}-x^{20}-x^{19}+x^2-1\,
37 1,6179861253852491516 x^{19}-x^{18}-x^{16}-x^{14}-x^{12}-x^{10}-x^8-x^6-x^4-x^2-1\,
38 1,6179861285528618287 x^{22}-x^{21}-x^{20}+x^2-1\,

Notes[modifier | modifier le code]

  1. (en) David W. Boyd et R. Daniel Mauldin, « The Order Type of the Set of Pisot Numbers », Topology and Its Applications, vol. 69,‎ 1996, p. 115–120

Références[modifier | modifier le code]

  • (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Pisot–Vijayaraghavan number » (voir la liste des auteurs).
  • (de) Axel Thue, « Über eine Eigenschaft, die keine transzendente Grösse haben kann », Christiania Vidensk. selsk. Skrifter, vol. 2,‎ 1912, p. 1–15
  • (en) Godfrey H. Hardy, « A problem of diophantine approximation », Journal Ind. Math. Soc., vol. 11,‎ 1919, p. 205–243
  • Charles Pisot, « La répartition modulo 1 et les nombres algébriques », Ann. Sc. Norm. Super. Pisa, II, Ser. 7,‎ 1938, p. 205–248 (lire en ligne)
  • (en) John Cassels, An introduction to Diophantine approximation, vol. 45, Cambridge University Press,‎ 1957, p. 133–144
  • (en) D.W. Boyd, « Pisot and Salem numbers in intervals of the real line », Math. Comp., vol. 32,‎ 1978, p. 1244–1260 (DOI 10.2307/2006349, lire en ligne)
  • (en) M.J. Bertin, A. Decomps-Guilloux, M. Grandet-Hugot, M. Pathiaux-Delefosse et J.P. Schreiber, Pisot and Salem Numbers, Birkhäuser,‎ 1992 (ISBN 3-7643-2648-4)
  • (en) Peter Borwein, Computational Excursions in Analysis and Number Theory, Springer-Verlag,‎ 2002 (ISBN 0-387-95444-9), chap. 3
  • (en) Marie José Bertin & al., Pisot and Salem Numbers, Birkhäuser, 1992 (ISBN 9783764326487).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Article connexe[modifier | modifier le code]

Nombre de Salem

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • (en) David Boyd, « Pisot number, Pisot–Vijayaraghavan number », dans Encyclopedia of Mathematics, Springer online (lire en ligne)
  • (en) David Terr et Eric W. Weisstein, « Pisot Number », MathWorld